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Grado en Matemáticas

Diferenciabilidad y sucesiones de funciones

En fₙ(x) hay dos procesos: aumentar n y acercar x a otro punto para derivar. Cambiar el orden puede cambiar el resultado. Empezaremos con modelos lineales y curvas que se aproximan, y después probaremos qué control permite derivar la función límite.

1. La derivada es una aproximación lineal con error pequeño respecto al incremento

Derivabilidad en a equivale a f(a+h)=f(a)+f′(a)h+r(h), con r(h)/h→0.

La aproximación no solo acierta en el valor del centro: su error desaparece comparado con el tamaño de h.

Estudiamos h≠0 y un límite finito.

Derivable implica continua, pero una función continua puede tener esquina. En extremos de un intervalo cerrado indicamos derivadas laterales o una prolongación declarada; no evaluamos puntos exteriores sin justificar el dominio.

Hacer visible el resto de una cúbica

Linealiza f(x)=x³ en a=1.

  1. Expandir

    f(1+h)=1+3h+3h²+h³.
  2. Parte lineal

    f(1)=1 y f′(1)=3; r(h)=3h²+h³.
  3. Control relativo

    r(h)/h=3h+h²→0.
Resultado

El modelo local es 1+3h.

Lo comprobamos

Que r(h)→0 por sí solo habría sido una condición más débil; aquí se comprueba también el cociente.

Continuidad sin una pendiente única

f(x)=|x| en cero.

  1. Continuidad

    |h|→0.
  2. Cociente

    |h|/h es uno con h>0 y menos uno con h<0.
  3. Resultado

    No hay límite bilateral y no existe una única derivada finita.

Resultado

La esquina impide derivabilidad, aunque no haya salto.

Lo comprobamos

La distinción reaparecerá en una sucesión de funciones suaves con este límite.

2. En fₙ(x), n elige la función y x elige dónde la miramos

Para un límite puntual fijamos x y dejamos crecer n. Para derivar fₙ, fijamos n y variamos x. Una cota uniforme de error controla todos los puntos simultáneamente con un solo umbral de n.

Que cada fₙ sea derivable no asegura que su límite lo sea. Los dos procesos infinitos necesitan un enlace: el control de valores no mide por sí solo las pendientes a escalas cada vez más pequeñas.

No derivamos respecto del índice discreto

fₙ(x)=x/n, n≥1.

  1. Fijar n

    Es una recta de pendiente 1/n: fₙ′(x)=1/n.
  2. Fijar x

    Al crecer n, fₙ(x)→0 para cada x real.
  3. Punto móvil

    En xₙ=n, fₙ(xₙ)=1: eso no contradice el límite puntual que fijaba x.

Resultado

Los dos símbolos cumplen funciones diferentes.

Lo comprobamos

El punto móvil sirve para examinar uniformidad, no para recalcular un límite que se definía con x fijo.

Controlar valores y derivadas por separado

fₙ(x)=x²+cosx/n en ℝ.

  1. Valores

    |fₙ−x²|≤1/n para todo x.
  2. Derivadas

    fₙ′=2x−sinx/n; su error respecto de 2x es ≤1/n.
  3. Conclusiones

    Aquí convergen uniformemente tanto valores como pendientes, pero se probaron ambas cotas.

Resultado

La derivada del límite coincide con el límite de derivadas en este ejemplo.

Lo comprobamos

No se dedujo la segunda convergencia solo de la primera.

3. Una amplitud pequeña puede esconder oscilaciones de pendiente

La función sin(2nx)/(2n) tiene valores de magnitud ≤1/(2n) y converge uniformemente a cero. Al derivarla aparece el factor 2n interior y queda cos(2nx), cuya amplitud no disminuye.

Por eso la convergencia uniforme de funciones no implica convergencia de sus derivadas. Incluso si funciones y primeras derivadas convergen uniformemente, una segunda derivación requiere otro control de las segundas derivadas.

Valores pequeños y pendientes sin límite en un punto

fₙ(x)=sin(2nx)/(2n).

  1. Límite de valores

    La cota 1/(2n) da uniforme a cero.

  2. Derivar

    fₙ′(x)=cos(2nx).
  3. Punto x=π/2

    fₙ′(π/2)=cos(nπ)=(−1)ⁿ, sin límite.
Resultado

No se puede intercambiar esa derivación de forma general.

Lo comprobamos

El factor interior explica por qué desaparecer en altura no significa desaparecer en pendiente.

Controlar un orden no controla automáticamente el siguiente

gₙ(x)=cos(nx)/n².

  1. Valores

    |gₙ|≤1/n²→0 uniformemente.
  2. Primera derivada

    gₙ′=−sin(nx)/n, también uniforme a cero.
  3. Segunda

    gₙ″=−cos(nx); en x=π alterna signos y no converge.
Resultado

La primera derivación es compatible con el límite; la segunda no queda justificada por esas mismas cotas.

Lo comprobamos

Cada orden requiere el control que le corresponde.

4. Un teorema suficiente controla las derivadas uniformemente y los valores en un punto

Sean fₙ∈C¹([a,b]), a<b.

Si fₙ(x₀)→c para algún x₀ del intervalo y fₙ′→g uniformemente en él, entonces fₙ converge uniformemente a una f∈C¹([a,b]) y f′=g en el interior, con las derivadas laterales correspondientes en extremos.

Esta versión incluye continuidad de las primeras derivadas. Su límite uniforme g también es continuo. Son hipótesis suficientes claras, no condiciones necesarias para cualquier coincidencia entre límite y derivada que podamos demostrar por otro argumento.

Verificar las dos hipótesis sin mezclarlas

En [0,1], fₙ(x)=eˣ+x/n.

  1. Punto

    fₙ(0)=1 converge a uno.
  2. Derivadas

    fₙ′=eˣ+1/n, con error uniforme 1/n respecto de eˣ.
  3. Teorema

    El límite es C¹ y su derivada eˣ; los valores tienden a f=eˣ.
Resultado

Se cumplen regularidad, punto de referencia y control uniforme de pendientes.

Lo comprobamos

La constante del límite quedó fijada por el valor en cero.

Otra aplicación con oscilaciones que sí se reducen al derivar

En [−2,2], fₙ=arctanx+sin(nx)/n².

  1. Referencia

    fₙ(0)=0.
  2. Pendientes

    fₙ′=1/(1+x²)+cos(nx)/n, error uniforme ≤1/n.
  3. Límite

    f=arctanx y f′=1/(1+x²), como garantiza el teorema.
Resultado

La presencia de oscilación no es el problema si su error derivado está controlado.

Lo comprobamos

El dominio es un intervalo finito, como exige esta versión suficiente.

5. Integrar desde el punto de referencia construye el límite y demuestra la cota

El teorema fundamental da fₙ(x)=fₙ(x₀)+∫ₓ₀ˣfₙ′(t)dt.
Proponemos f(x)=c+∫ₓ₀ˣg(t)dt.

Como g es continua, esta f tiene derivada g. El dato en x₀ aporta la constante.

El error satisface |fₙ(x)−f(x)|≤|fₙ(x₀)−c|+(b−a)sup|fₙ′−g|.

La cota no depende de x y ambos términos tienden a cero. Así se demuestra también convergencia uniforme de las funciones; la longitud finita se usa de forma explícita.

Reconstruir una función a partir de sus datos

En [0,1], fₙ(0)=2+1/n y fₙ′(x)=2x+cosx/n.

  1. Integrar

    fₙ(x)=2+1/n+x²+sinx/n.
  2. Límite

    c=2 y g=2x producen f=2+x².
  3. Cota

    |fₙ−f|≤1/n+1/n=2/n, válida en todo el intervalo.
Resultado

La cota controla simultáneamente constante y pendiente.

Lo comprobamos

Aunque cada parte se haga pequeña, ambas deben incluirse en el error total.

Un punto base que no es cero

En [0,2], fₙ(1)=3 y fₙ′(x)=4x−1/n.

  1. Integrar con orientación

    fₙ(x)=3+∫₁ˣ(4t−1/n)dt=1+2x²−(x−1)/n.
  2. Límite

    f(x)=1+2x² y f′=4x.
  3. Error

    |x−1|/n≤1/n en ese intervalo.
Resultado

El punto uno fija la constante igual que lo haría cualquier otro punto permitido.

Lo comprobamos

Para x<1 la integral se orienta hacia atrás; la fórmula ya incorpora ese signo.

6. Las derivadas no registran traslaciones verticales

Dos funciones con la misma derivada en un intervalo difieren en una constante. Si esa constante cambia con n, controlar fₙ′ no controla los valores. Por eso el teorema necesita convergencia en un punto.

En un dominio con componentes separadas podría haber una constante distinta en cada componente. Un solo punto no fijaría todas. La hipótesis de un intervalo conectado no es un adorno del enunciado.

Mismas pendientes y valores que escapan

fₙ(x)=x²+n en [0,1].

  1. Derivadas

    fₙ′=2x exactamente; convergen uniformemente a 2x.
  2. Referencia

    fₙ(0)=n no converge a un real.
  3. Valores

    En cualquier x fijo, x²+n crece sin cota.

Resultado

No hay límite real de funciones pese al control perfecto de pendientes.

Lo comprobamos

El obstáculo es una constante que las derivadas no pueden medir.

Dos componentes con constantes independientes

En D=[−2,−1]∪[1,2], define fₙ=0 en la primera y fₙ=n en la segunda.

  1. Pendientes por componente

    Son cero en ambas, con extensiones constantes a sus vecindades.

  2. Un punto no basta

    En x₀=−3/2, todos los valores son cero y convergen.

  3. Otra componente

    En x=3/2 los valores son n y no convergen.

    El dominio no es el intervalo conectado del teorema.

Resultado

Habría que controlar una constante en cada componente relevante.

Lo comprobamos

No se está refutando el teorema de intervalos: falta una de sus condiciones de dominio.

7. Un límite uniforme de curvas suaves puede tener esquina

Toma fₙ(x)=√(x²+1/n²).

Cada una es suave en ℝ, pero el límite es |x|.

La diferencia se racionaliza: fₙ(x)−|x|=(1/n²)/(√(x²+1/n²)+|x|), entre cero y 1/n.
Convergencia uniforme de valores no garantiza una derivada del límite
fₙ(x)=√(x²+1/n²)n=1, 2, 5 ; límite |x|Curvas suaves ; límite con esquina
Curvas raíz de x al cuadrado más uno partido por n al cuadrado, para n uno, dos y cinco, junto al valor absoluto. Todas las curvas tienen derivada cero en el origen, pero su límite tiene pendientes laterales menos uno y uno. Su error uniforme es uno partido por n.

Las derivadas son x/√(x²+1/n²). Su límite vale uno con x>0, menos uno con x<0 y cero en x=0. Es discontinuo en cero y no puede ser un límite uniforme de esas derivadas continuas en un intervalo que cruce ese punto.

Calcular el error uniforme exacto

Compara fₙ con |x| en toda ℝ.

  1. Cota

    La racionalización anterior da error ≤1/n.
  2. Alcanzar

    En x=0, fₙ(0)−0=1/n.
  3. Supremo

    El error uniforme es exactamente 1/n→0.
Resultado

La convergencia de valores es uniforme, pero el límite no es derivable en cero.

Lo comprobamos

La suavidad de cada curva no se transmite sin el control adecuado de derivadas.

Localizar el error persistente de las pendientes

En xₙ=1/n, compara fₙ′ con su límite puntual g.

  1. Pendiente de fₙ

    fₙ′(1/n)=1/√2.
  2. Límite puntual en ese punto

    Como xₙ>0, g(xₙ)=1.
  3. Error

    1−1/√2 es una separación positiva fija, independiente de n.

Resultado

Las derivadas no convergen uniformemente cerca del origen.

Lo comprobamos

Usar puntos móviles es correcto para refutar el control simultáneo en todo el intervalo.

8. Una serie de funciones se deriva mediante el teorema aplicado a sumas parciales

Para S_N=Σₙ₌₁ᴺuₙ, derivar es una operación finita y S_N′=Σuₙ′.

Para pasar al límite se exige convergencia de S_N(x₀) en un punto y convergencia uniforme de la serie de derivadas, con la regularidad indicada.

Una forma de probar uniformidad es encontrar |uₙ′(x)|≤Mₙ con ΣMₙ convergente. Eso controla las colas por una serie numérica. No se sustituye por una cota solo de uₙ: la serie original y la serie de pendientes son objetos diferentes.

Potencias con un factor que controla sus derivadas

En [−1,1], usa uₙ(x)=xⁿ/(n²2ⁿ), n≥1.

  1. Referencia

    uₙ(0)=0, así que las sumas en cero convergen.

  2. Derivada y cota

    uₙ′=xⁿ⁻¹/(n2ⁿ); su módulo es ≤1/(n2ⁿ)≤2⁻ⁿ.
  3. Teorema

    La serie geométrica de cotas converge; podemos derivar la suma término a término y el límite es C¹.

Resultado

El control de la serie de derivadas es uniforme en el intervalo.

Lo comprobamos

En n=1, x⁰=1: el primer término derivado también entra en la cota.

Una serie trigonométrica

En [0,2π], usa uₙ(x)=sin(nx)/n³.

  1. Referencia

    Las sumas parciales en cero valen cero.

  2. Serie derivada

    uₙ′=cos(nx)/n², con módulo ≤1/n².
  3. Dominación numérica

    La p-serie de exponentes dos converge y asegura uniformidad; se permite derivar una vez.

Resultado

La derivada de la suma es Σcos(nx)/n².

Lo comprobamos

Derivar otra vez necesitaría revisar de nuevo el control; no se concede automáticamente por esta primera aplicación.

9. Un teorema suficiente no es una autorización universal ni una condición necesaria para cada punto

Antes de intercambiar límite y derivada indicamos intervalo, regularidad, valor de referencia y error uniforme de pendientes. Si falla una hipótesis, esta versión no certifica el intercambio. La cuenta podría coincidir en algunos puntos o fallar: hay que demostrarlo.

También distinguimos interior y extremos. El comportamiento puede ser correcto en todo compacto interior y perderse en un borde. Una conclusión local no se extiende a todo el dominio sin revisar dónde funciona la cota.

Coincidencia interior sin la uniformidad global del teorema

fₙ(x)=xⁿ/n sobre [0,1].

  1. Valores

    0≤fₙ≤1/n, límite uniforme cero.
  2. Pendientes

    fₙ′=xⁿ⁻¹ tiende a cero para cada x<1, pero vale uno en x=1 y no converge uniformemente en todo el intervalo.

  3. Alcance

    En cada punto interior sí coincide el límite de derivadas cero con f′=0; en el extremo uno no coincide con la derivada lateral del límite.

Resultado

No cumplir una hipótesis global no decide cada punto por separado.

Lo comprobamos

En [0,r] con r<1 sí se obtiene una cota uniforme de las pendientes.

Límites de pendientes en un punto que dan el valor equivocado

fₙ(x)=x/(1+n²x²) en ℝ.

  1. Valores uniformes

    2n|x|≤1+n²x² da |fₙ(x)|≤1/(2n), así que el límite es cero.
  2. Derivar

    fₙ′=(1−n²x²)/(1+n²x²)².

    En cero vale uno para todos los n.

  3. Comparar

    El límite de fₙ′(0) es uno, pero la derivada del límite cero es cero.

Resultado

Ni siquiera convergencia de pendientes en un punto basta para intercambiar.

Lo comprobamos

La falta de control uniforme del entorno permite pendientes persistentes sobre zonas cada vez más estrechas.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un límite derivable

En [0,1], fₙ(x)=x²+x/n. Identifica f y el límite de derivadas.

  1. Límite candidato

    En [0,1], fₙ=x²+x/n tiende puntualmente a x².
  2. Valores uniformes

    |fₙ−x²|=x/n≤1/n.
  3. Derivadas

    fₙ′=2x+1/n; cada función es C¹.
  4. Pendientes uniformes

    |fₙ′−2x|=1/n en todo el intervalo.
  5. Referencia

    fₙ(0)=0 converge a cero.
  6. Conclusión

    El teorema garantiza f=x² con f′=2x; la derivación directa del límite confirma la igualdad.

Resultado

f=x² y f′=2x.

Lo comprobamos

La cota de valores y la de pendientes son ambas del orden 1/n; se han verificado por separado, no deducido una de la otra sin prueba.

EJEMPLO RESUELTO 2

Constantes que escapan

¿Basta fₙ′→0 uniformemente para que fₙ converja?

  1. Qué se pregunta

    Controlar solo fₙ′ no puede fijar las constantes de las funciones.

  2. Contraejemplo

    En cualquier intervalo no vacío, toma fₙ(x)=n.
  3. Derivar respecto de x

    fₙ′=0 para todo n y punto.
  4. Uniformidad

    El error de derivadas respecto de cero es exactamente cero.

  5. Valores

    fₙ(x₀)=n no converge en ningún punto fijo.
  6. Control ausente

    Falta un valor de referencia convergente; restar ese desplazamiento vertical dejaría las funciones cero.

Resultado

No; falta controlar una constante de integración.

Lo comprobamos

Restar fₙ(x₀)=n dejaría la función cero; el obstáculo es exactamente el desplazamiento vertical que las derivadas no registran.

Los símbolos que hemos usado

f′(x)
Derivada: límite del cociente [f(x+h)−f(x)]/h cuando h tiende a cero.
fₙ
Función de índice n de una sucesión sobre un dominio común.
fₙ→f puntualmente
Para cada x fijo, los números fₙ(x) convergen a f(x).
Convergencia uniforme
El error de funciones se hace pequeño simultáneamente para todo x del dominio.
C¹([a,b])
Funciones con derivada interior continua que se prolonga continuamente a los extremos.
x₀
Punto fijo del intervalo donde se controla el valor de cada función.
g
Límite uniforme propuesto para las derivadas.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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